低压空气制冷系统的结构设计探究

陈刚

大连斯频德环境设备有限公司 辽宁大连 116600

关键字低压空气；制冷系统；结构设计

1 引言

低压空气制冷系统是一种将低压空气作为工作介质和动力的制冷系统，在其结构设计过程中，需要把握好增压单元、换热单元和制冷单元等各个部分的设计方法，同时采取有效的调节措施，保证系统运行的稳定性和制冷能力。从以往的设计经验来看，由于设计人员对低压空气制冷系统结构不够了解，或细节设计不合理，导致产品难以达到预期效果。因此，有必要对其系统组成结构及设计方法进行详细研究，从而提升低压空气制冷系统结构设计水平。

2 低压空气制冷系统的组成结构分析

低压空气制冷系统的组成结构较为复杂，大体可分为增压单元、换热单元、冷却单元、电磁节流阀膨胀单元几个部分。具体包括主阀、增压泵、一级换热器、保温室、二级换热器、电磁节流阀、气体出口等。将0.7MPa低压空气输入到增压单元后，将其分为两个部分使用。其中一部分作为驱动活塞的动力，完成作工后，排入到大气中。另一部分则作为制冷介质，将其压缩成23.5MPa高压空气，然后引入到第一级换热器中，对其进行冷却。完成后引入到第二级换热器中，对其进行再次冷却。经过两次冷却的高压空气最终电磁节流阀膨胀单元中进行节流，进而产生低温气体。得到的低温气体也分为两部分使用，其中一部分引入到保温室中，负责对保温室进行冷却。另外一部分低温气体则返回到第二级换热器中，与持续输入的高压空气发生逆流换热作用，然后通过喷射方式，返回到第一级换热器中。低温空气在喷射过程中，会在喷口位置形成负压，确保保温室气体能够吸入到第一级换热器中，通过与高压气体发生逆流换热作用后，排入到大气中。在整个制冷过程中，低压空气制冷系统的换热器冷却气体温度会逐渐下降，电磁节流阀的节流孔前气体温度也会持续下降，从而形成积分式的制冷效应，确保制冷量越来越大。其制冷量变化情况如图1所示，即从“1-2-3-4”变化到“1-2-3ˊ-4ˊ”，再变化到“1-2-3"-4"”[1]。

3 低压空气制冷系统的结构设计方法

3.1 增压单元设计

在上述低压空气制冷系统结构下，需要对各功能单元进行详细设计，从而实现最终的制冷功能。其中，增压单元是低压空气制冷系统的一个重要单元，在整个制冷过程中都发挥着重要作用。低压空气制冷系统的增压单元如图2所示，主要由主阀大轴、主阀小轴、N腔、M腔、R腔、S腔、T腔、阀1、阀2、阀3、阀4等部分组成。气缸活塞运动到上死点后，阀1被顶开，从A1口进入0.7MPa低压空气，引入N腔。低压空气进入后会作用在主阀大端和主阀小端，且前者作用力大于后者，从而推动主阀活塞向右侧移动。从A1口进入的低压空气通过主阀中心部分的通路后，被引入R腔，作为推动力使气缸活塞向下移动。与此同时，T腔中的0.7MPa低压空气会被压缩到23.5MPa，得到的高压空气通过阀4后，从B口排出区，同时阀3关闭。气缸活塞移动到下死点后，阀2被顶开，此时N腔经阀2可以与大气相通。M腔中的0.7MPa低压空气作用在主阀活塞上，使其向左进行移动，R腔可通过C1口与大气相同。阀4关闭后，T腔中的剩余空气发生膨胀，阀3被打开，使低压空气进入到T腔中，进而使气缸活塞上移，达到上死点后，进入下一个吸气压缩循环[2]。

图1 低压空气制冷系统制冷量变化情况

图2 增压单元设计示意图

图3 低压空气制冷系统的电磁节流阀结构示意图

3.2 换热器设计

在低压空气制冷系统中，共设计有两级换热器，且第一级换热器和第二级换热器的结构形式不同。第一级换热器的蛇形管是由3层的φ3 0.5紫铜管组成的。其中，内层紫铜管的直径为φ48.5，其圈数为65圈。中层的双头绕管直径为φ56.5，其圈数为82圈。外层的双头绕管直径为φ64.5，其圈数为72圈。第二级换热器的蛇形管结构则是由四层φ3 0.5紫铜管所促成的。其中，里面的两层为单头紫铜管，其中一层紫铜管直径为φ41，圈数为39圈，另一层紫铜管直径为φ48，圈数为34圈。外面的两层紫铜管则为双头绕管，其中一层直径为φ57，圈数为48，另一层直径为φ65，圈数为54。因此，在设计过程中，要对两级换热器进行分别设计，区分第一级和第二级换热器的蛇形管形式，控制好其设计参数[3]。

3.3 电磁节流阀设计

在低压空气制冷系统的电磁节流阀设计过程中，由于电磁节流阀属于制冷系统的关键元件，需要对其设计参数进行严格把控，否则将对整个系统的制冷性能产生不利影响。电磁节流阀的主要功能是对压缩空气流量进行调节，从而影响着低压空气制冷系统的制冷能力。具体可采用2个孔板进行条件，孔板材料为聚四氟乙烯。在对电磁节流阀进行设计时，重点应设计好聚四氟乙烯孔板的直径。电磁节流阀具体由去节流装置的换热器、衔铁、调节螺栓、冷冻室、阀芯、阀座和孔板等结构组成，其结构图如图3所示。在对孔板直径进行设计时，具体的直径系列可采用φ0.5/φ0.7/φ1/φ1.4/φ2/φ2.8/φ3/φ3.5/φ4，从而满足电磁节流阀的压缩空气流量和制冷量调节需求。此外，还应做好针阀阀芯和针阀阀座的设计，确保其结构尺寸和规格能够满足电磁节流阀结构设计要求，详细设计其尺寸参数，确保电磁节流阀的结构完整性和灵活性。

3.4 制冷量调整措施

在低压空气制冷系统中，保温容器一般采用体积150～200L左右的绝热容器。在其设计过程中，需要合理设计保温室流量孔板直径、空气压力和节流孔温度，从而确保保温室的制冷能力能够正常发挥。从以往的设计经验来看，由于制冷量调节措施不当、设计人员没有把握好各项参数的设计范围，或因细节处理不当，导致保温室难以达到预期的温度下降效果。在实际设计过程中，首先应充分了解保温容器的使用功能，其流量孔板直径设计会影响通向保温室的压力，进而影响其制冷功能。一般情况下，应将通向保温室的流量孔板直径设计为3～4mm，并在0.1～1.2MPa压力条件下，对通向换热器流量孔板的直径进行逐步调节，确保通向保温室的空气压力在50～60kPa范围内。在此条件下，节流孔前的压力值在19.5MPa～21MPa范围之间，节流口后的温度则会从-140℃下降到-180℃。由此可以确保保温室能够在44min～55min时间内，具备将温度降低至-70℃的制冷能力，从而满足低压空气制冷系统的实际使用需求。

3.5 设计效果评价

通过采取上述设计方法设计并实现的低压空气制冷系统，可以满足一般情况下的制冷功能需求，而且系统结构相对简单，运行稳定性较高，具有较高的综合运行效益。目前使用的低压空气制冷系统主要是基于逆布雷顿循环和逆埃里克森循环实现的。在理想条件下，布雷顿循环是由2个定压过程、2个等熵过程组成的，工质经过低压换热器后，被升温至状态1，然后经过等熵压缩升温至状态2。埃里克森循环则是由两个冷却器、低压换热器、2个压缩机和膨胀机组组成的，为提高循环性能系数，也需要采用换热器，经过热交换后再进入膨胀机和压缩机。低压空气制冷则是两种循环的逆过程。包括目前使用的列车空调空气制冷系统、飞机空调空气制冷系统、低温用空气循环制冷系统等，都是根据这一原理设计的。本次设计的低压空气制冷系统除能够发挥正常的制冷功能外，还能满足热负荷增加下的系统调节需求。

从上述设计过程中，可以总结出以下几方面经验：

（1）低压空气制冷系统的内部组成结构较为复杂，且需要发挥各个功能单元的协调作用，才能确保系统的制冷功能。因此，在设计过程中，必须关注于各个单元的具体功能以及各单元时间的联动性，特别应把握好接口部分的设计内容，包括其尺寸结构的合理性以及动力传递的合理性等。

（2）从低压空气制冷系统的运行原理来看，其工作过程是一个往复循环的过程，在低压空气作为动力供应和作为工质流通的过程中，通过合理设计各阀门、出口、腔体结构，可以确保其工作过程中的连续性，进而满足系统稳定运行需求。

（3）两级换热器的应用是低压空气制冷系统循环流程实现的关键，在具体设计过程中，需要根据两级换热器的设计目的，分别设计其结构形式，满足第一级换热器和第二级换热器的逆流换热作用需求。通过把握好细节设计，进一步提升低压空气制冷系统的设计水平，简化系统结构，实现制冷功能。

4 结束语

综上所述，在对低压空气制冷系统进行结构设计时，通过明确其使用需求及系统组成结构，掌握每个结构组成单元的功能特点，可以明确设计方向，从而合理选择设计方法。在此基础上，通过对各结构单元进行分别设计，逐一实现其模块功能，并提升各功能单元之间的联动性，可以提升低压空气制冷系统的整体性能。